Hàng triệu năm tiến hóa đã định hình thế giới xung quanh chúng ta và tạo ra nhiều điều đáng kinh ngạc. Mô phỏng sinh học là khi chúng ta quan sát một đặc điểm trong tự nhiên và sao chép nó hoặc một phần của nó cho công nghệ và thiết kế của con người. Có rất nhiều ví dụ tuyệt vời về hoạt động mô phỏng sinh học.
Mô phỏng sinh học liên quan đến nhiều lĩnh vực hoạt động của con người. Khác nhau, từ y học đến nghiên cứu, công nghiệp, kinh tế, kiến trúc, quy hoạch đô thị, nông nghiệp và quản lý. Danh sách này không đầy đủ vì bắt chước sinh học, trên hết, là một câu hỏi về cách chúng ta tiếp cận các lĩnh vực chuyên môn này. Do đó, nó có thể ít nhiều áp dụng trực tiếp cho tất cả các lĩnh vực.
Khái niệm mô phỏng sinh học dựa trên một ý tưởng cốt lõi: tự nhiên luôn vận hành theo các nguyên tắc tiết kiệm và hiệu quả mà không tạo ra chất thải. Bạn còn nhớ câu nói của Lavoir: “Không có gì mất đi, không có gì được tạo ra, mọi thứ đều được biến đổi”? Đó chính là ý tưởng. Bất kể lĩnh vực ứng dụng nào, triết lý mô phỏng sinh học là một phần của chiến lược toàn cầu về phát triển bền vững và có trách nhiệm , nhằm mục đích cân bằng cách sử dụng tài nguyên của hành tinh.
Biomimicry là gì?
Mô phỏng sinh học, (như tên gọi của nó, là sự bắt chước của các sinh vật sống) nhằm mục đích lấy cảm hứng từ chọn lọc tự nhiên và các giải pháp được tự nhiên áp dụng, đồng thời chuyển các nguyên tắc sang kỹ thuật của con người. Đó là một phương pháp để tạo ra các giải pháp cho những thách thức của con người bằng cách mô phỏng các thiết kế và ý tưởng được tìm thấy trong tự nhiên. Nó được sử dụng ở khắp mọi nơi: trong các tòa nhà, xe cộ và thậm chí cả vật liệu.
Phương pháp mô phỏng sinh học là một hành trình tuyệt vời để tìm hiểu những gì chúng ta có thể học được từ tự nhiên, và trong quá trình đó, chúng ta củng cố mối quan hệ và kết nối của mình với thế giới tự nhiên. Đây là một yếu tố quan trọng để tạo ra một thế giới bền vững hơn, lành mạnh hơn và công bằng hơn cho tất cả mọi người và mọi loài. Vì vậy, chúng tôi nghĩ sẽ rất thú vị khi tổng hợp một số ví dụ đáng chú ý nhất.
10 Những ví dụ tuyệt vời về mô phỏng sinh học dành cho trẻ em và học giả
Mô phỏng sinh học, như đã nêu, tìm đến tự nhiên và các hệ thống tự nhiên để lấy cảm hứng, sử dụng các chiến lược lấy cảm hứng từ tự nhiên để cải thiện thiết kế. Thông qua quá trình thích nghi và tiến hóa, nhân vật dành hàng triệu năm để mày mò tìm cách thoát khỏi các vấn đề, kết thúc bằng một số đổi mới đáng kinh ngạc. Sự kém hiệu quả không tồn tại một mình và các kỹ sư và nhà thiết kế của con người thường tìm kiếm giải pháp cho các vấn đề hiện đại.
Dưới đây là một số ví dụ cực hay về mô phỏng sinh học trong khoa học, kỹ thuật và đổi mới chịu ảnh hưởng của thiết kế lấy cảm hứng từ thiên nhiên dành cho trẻ em và học giả.
- Bắt chước da cá mập cho áo tắm
- Tàu cao tốc lấy cảm hứng từ chim Bói Cá (Giống như trong Disney)
- Tua-bin gió mô phỏng cá voi lưng gù
- Bọ cánh cứng và chai nước tự đổ đầy
- hấp thụ sốc như chim gõ kiến
- Ngụy trang động vật thân mềm
- Hệ thống thông gió lấy cảm hứng từ mối
- Máy bay phản lực lấy cảm hứng từ loài chim
- Burr và Velcro
- Cánh bướm và Năng lượng mặt trời
1. Áo tắm mô phỏng da cá mập
Cá mập là một trong những kẻ săn mồi lớn nhất của biển. Trong khi cá mập nổi tiếng với khứu giác nhạy bén và răng tái tạo nhanh chóng, nghiên cứu mới có thể chỉ ra rằng da của loài này là tài sản thích hợp tiến hóa nhất của chúng.
Da cá mập được bao phủ bởi vô số vảy xếp chồng lên nhau được gọi là “răng giả”. Khi chuyển động, các răng giả này tạo ra một vùng áp suất thấp. Dòng xoáy cạnh đầu này về cơ bản “kéo” cá mập về phía trước và cũng giúp giảm lực cản. Không cần phải nói, có rất nhiều ứng dụng cho thiết kế như vậy.
Các nhà khoa học đã tái tạo được các gai da trên áo tắm (hiện đã bị cấm trong các cuộc thi lớn) và đáy thuyền. Áo tắm lấy cảm hứng từ da cá mập đã thu hút rất nhiều sự chú ý của giới truyền thông trong Thế vận hội Mùa hè 2008 khi Michael Phelps trở thành tâm điểm chú ý.
Speedo nổi tiếng là đã kết hợp da cá mập mô phỏng sinh học vào dòng đồ bơi cho Thế vận hội 2008. Theo Smithsonian, 98% huy chương tại Thế vận hội 2008 là do các vận động viên bơi lội mặc đồ bơi bằng da cá mập giành được. Kể từ đó, công nghệ đã bị cấm trong các cuộc thi Olympic.
Tương tự, trong khi nhiều loài thủy sinh được biết đến là vật chủ của các loài sinh vật biển khác trên cơ thể chúng (như hà), cá mập vẫn tương đối "sạch sẽ", có thể nói như vậy. Những gai nhỏ li ti trên da này cũng giúp cá mập chống lại các vi sinh vật như tảo và hà. Hải quân Hoa Kỳ sau đó đã phát triển một loại vật liệu, được gọi là Sharklet, dựa trên cấu trúc da này để giúp ngăn chặn sự phát triển của sinh vật biển trên tàu.
2. Bullet Trains lấy cảm hứng từ những chú chim bói cá (Giống như trong Disney)
Những con chim bói cá có chiếc mỏ đặc biệt cho phép chúng lặn xuống nước để săn mồi trong khi chỉ gây ra tiếng nước nhỏ. Bằng cách sử dụng phần mũi mới này, các đoàn tàu sê-ri 500 thế hệ tiếp theo nhanh hơn 10%, tiêu thụ ít điện năng hơn 15% và quan trọng nhất là không còn “sự bùng nổ” nữa.
Khi các kỹ sư Nhật Bản đảm nhận nhiệm vụ khó khăn là nâng cấp tàu cao tốc cao tốc của họ, thiết kế của họ đã gặp phải một trở ngại đáng tiếc. Vấn đề không phải là làm cho những đoàn tàu này đạt được tốc độ mong muốn, mà là lượng tiếng ồn khổng lồ được tạo ra do sự dịch chuyển của không khí phía trước đoàn tàu. Khi các đoàn tàu đi vào đường hầm, các phương tiện thường tạo ra một làn sóng xung kích lớn được gọi là “tiếng nổ trong đường hầm”.
Sức mạnh của sóng xung kích thậm chí còn gây ra hư hỏng cấu trúc cho một số đường hầm. Để giảm thiểu sự bùng nổ này, các kỹ sư Nhật Bản đã bắt chước mỏ của chim bói cá để gây ra tia nước tối thiểu khi nó đi vào vùng nước. Tạo ra hình dạng mũi mới này, các đoàn tàu chạy nhanh hơn 10%, tiêu thụ ít điện năng hơn 15% và quan trọng nhất là không còn tiếng “bùng nổ” nữa.
Loại quy trình đổi mới này được gọi là quang hợp nhân tạo, trong đó một chiếc lá sinh học tạo ra nhiên liệu hydro từ ánh sáng mặt trời. Điều này được hy vọng sẽ là một bước đột phá tiềm năng về năng lượng toàn cầu bằng cách tách nước bằng cách sử dụng điện năng từ mặt trời.
Loại nhiên liệu tái tạo này không phát thải khí độc hại.
3. Tua bin gió được mô phỏng theo Cá voi lưng gù
Ví dụ, cá voi lưng gù sử dụng vây lồi lõm để tạo lực đẩy, điều này có vẻ khá phản trực giác. Những con cá voi này đã ảnh hưởng đến các mô hình tua-bin gió mới.
Cá voi, được biết đến là loài cá lớn nhất thế giới, đã bơi quanh đại dương trong một thời gian dài và quá trình tiến hóa đã biến chúng thành một dạng sống siêu hiệu quả. Chúng có thể lặn sâu hàng trăm mét dưới mặt nước và ở đó hàng giờ. Chúng duy trì kích thước khổng lồ của mình bằng cách ăn những động vật nhỏ hơn mắt thường có thể nhìn thấy và chúng cung cấp năng lượng cho chuyển động của mình bằng vây và đuôi cực kỳ hiệu quả. Những điều này được thực hiện do sự hiện diện của lưng gù của nó.
Các đường vân trên vây trước của cá voi lưng gù, được gọi là củ, ảnh hưởng đến cách nước chảy qua vây. Nó tạo ra dòng chảy khí động học trong nước. Củ cho phép chúng bơi với tốc độ cao mặc dù có kích thước lớn.
Nhiều thiết kế khí động học hiện đại của chúng tôi dựa trên các nguyên tắc khá cơ bản. Để có được lực nâng tối ưu và lực cản tối thiểu, các cạnh bóng bẩy và đường nét rõ ràng là yếu tố then chốt. Tuy nhiên, trong khắp vương quốc động vật, nhiều loài có khả năng nâng đặc biệt.
Các nhà khoa học tại Đại học Duke, Đại học West Chester và Học viện Hải quân Hoa Kỳ đã phát hiện ra rằng phần lồi ở mép trước của vây cá voi làm tăng đáng kể hiệu quả của nó, giảm 32% lực cản và tăng 8% lực nâng. Những cánh quạt được điều chỉnh này cũng giúp tạo ra cùng một lượng điện năng ở tốc độ 10 dặm một giờ như các tua-bin thông thường tạo ra ở tốc độ 17 dặm một giờ.
Các công ty đang áp dụng ý tưởng này cho các cánh tua-bin gió, quạt làm mát, cánh máy bay và cánh quạt.
4. Bọ cánh cứng và Chai nước tự làm đầy
Hiện nay, không còn là điều bí mật nữa: việc tiếp cận nguồn nước là yếu tố then chốt đối với bất kỳ nền văn minh bền vững nào và sự sống trên hành tinh này nói chung. Trong khi một số khu vực trên thế giới có nguồn tài nguyên nước dồi dào như hồ và sông, thì những vùng khí hậu khô hạn hơn phải xoay xở với lượng mưa hạn chế.
Công nghệ được phát triển từ một loài bọ cánh cứng sinh sống trong một trong những môi trường khắc nghiệt nhất trên Trái đất rất có thể sẽ giúp khởi đầu thế hệ thu hoạch nước sạch tiếp theo.
Bọ cánh cứng (bọ cánh cứng Stenocara) có nguồn gốc từ sa mạc Namib tồn tại trong môi trường khô hạn và khắc nghiệt bằng cách tích nước trên lưng nhờ thiết kế lớp vỏ độc đáo của chúng. Chúng còn được gọi là “bậc thầy thu gom nước”. Chúng hướng đôi cánh về phía gió biển, và những nốt sần trên lưng chúng hướng những giọt nước về phía miệng.
Các kỹ sư đã tạo ra một chai nước có các va chạm thu nước và đẩy nước tương tự. Dự án này có thể hỗ trợ các nỗ lực bảo tồn nước và làm cho nước dễ tiếp cận hơn đối với các cộng đồng ở vùng khô hạn.
Các chuyên gia trong lĩnh vực bảo tồn hoặc lập kế hoạch cộng đồng có thể tham gia vào nhiều dự án bảo tồn nước liên quan đến phương pháp kỹ thuật mô phỏng sinh học này. Khoảng 22 quốc gia trên thế giới sử dụng lưới để thu nước từ không khí, vì vậy việc tăng hiệu quả như vậy có thể có tác động lớn.
5. Hấp thụ sốc như một con chim gõ kiến
Chim gõ kiến được biết đến với khả năng khai quật đặc biệt của chúng. Các sinh vật sử dụng mỏ của chúng để kiếm thức ăn cho côn trùng và cũng để tạo ra các ngóc ngách cho chúng mà không bị thương ở đầu do mổ nhanh và mạnh.
Khi chim gõ kiến khoan những lỗ này, chúng bị giảm tốc 1200 lực hấp dẫn (Gs) gần 22 lần mỗi giây. Nói một cách dễ hiểu, một vụ tai nạn ô tô nghiêm trọng sẽ gây ra lực tương đương 120 Gs lên một hành khách.
Nghiên cứu được thực hiện bằng cách sử dụng máy quét CT tại Đại học California, Berkeley, đã phát hiện ra rằng chim gõ kiến có bốn cấu trúc được thiết kế để hấp thụ sốc cơ học. Mỏ bán đàn hồi của chim, một khu vực vật liệu “xương xốp” phía sau hộp sọ và dịch não tủy đều hoạt động đồng bộ để kéo dài thời gian xảy ra chấn động này và do đó ức chế rung động.
Dựa trên những cấu trúc này, các kỹ sư hàng không vũ trụ thường sử dụng những cấu trúc này để thiết kế tàu vũ trụ chống thiên thạch và hộp đen máy bay có thể hấp thụ nhiều lực hơn trước khi gặp trục trặc. Thiết kế tự nhiên này cũng có thể giúp các kỹ sư máy bay và hàng không phát triển công nghệ chất lượng hơn trong tương lai.
6. Ngụy trang động vật thân mềm
Mực, giống như tất cả động vật chân đầu, có khả năng phát sáng (phát quang sinh học) cũng như thay đổi màu da của chúng. Khả năng ngụy trang này giúp chúng trốn tránh những kẻ săn mồi, trong khi khả năng phát quang sinh học cho phép chúng giao tiếp và/hoặc thu hút bạn tình. Hành vi phức tạp này được tạo ra bởi một mạng lưới các tế bào da và cơ chuyên biệt.
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Houston đã chế tạo một thiết bị tương tự có khả năng phát hiện môi trường xung quanh và khớp với chúng chỉ trong vài giây. Nguyên mẫu ban đầu này sử dụng một lưới linh hoạt, có nhiều điểm ảnh sử dụng bộ truyền động, cảm biến ánh sáng và gương phản xạ. Khi các cảm biến ánh sáng phát hiện ra sự thay đổi của môi trường xung quanh, một tín hiệu sẽ được gửi đến đi-ốt tương ứng.
Điều này tạo ra nhiệt trong khu vực và lưới nhiệt màu sau đó thay đổi màu sắc. “Da” nhân tạo này có thể có cả ứng dụng quân sự và thương mại trong tương lai.
7. Hệ thống thông gió lấy cảm hứng từ mối
Mối thường bị mang tiếng xấu vì đặc tính phá hoại của chúng. Tuy nhiên, mối khét tiếng vì đã tạo ra một số hệ thống thông gió phức tạp nhất để làm mát trên hành tinh. Ngay cả ở một số nơi nóng nhất, những gò mối này, bên trong vẫn rất mát mẻ. Trong khi nhiệt độ bên ngoài thay đổi thất thường trong ngày từ nhiệt độ thấp đến nhiệt độ cao, thì bên trong hang mối giữ ổn định ở nhiệt độ dễ chịu.
Bằng cách sử dụng một mạng lưới phức tạp các khoang khí được thiết kế có chủ đích, các gò đất tạo ra một hệ thống thông gió tự nhiên bằng đối lưu. Đây là một ví dụ về cách các chuyên gia xây dựng và kiến trúc có thể sử dụng các yếu tố tự nhiên và vật liệu bền vững để nâng cao sự an toàn và chất lượng của một dự án xây dựng trong điều kiện khí hậu nóng.
Ví dụ, Trung tâm mua sắm East Gate ở Harare, Zimbabwe, cao 333,000 feet vuông, sử dụng ít năng lượng hơn 90% để sưởi ấm và làm mát so với các tòa nhà truyền thống, có những ống khói lớn hút không khí mát một cách tự nhiên vào ban đêm để giảm nhiệt độ của không gian. tấm sàn, giống như ổ mối.
8. Lấy cảm hứng từ loài chim Máy bay phản lực
Chim có thể tăng quãng đường bay lên hơn 70 phần trăm khi sử dụng hình chữ V. Các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng khi một đàn tạo thành đội hình chữ V quen thuộc khi một con vỗ cánh, nó sẽ tạo ra một luồng gió nhỏ nâng con chim phía sau lên.
Khi mỗi con chim bay qua, chúng sẽ tiếp thêm năng lượng cho cú đánh, giúp tất cả những con chim duy trì đường bay. Bằng cách luân chuyển thứ tự của họ thông qua ngăn xếp, họ phân bổ nỗ lực.
Một nhóm các nhà nghiên cứu tại Đại học Stanford cho rằng các hãng hàng không chở khách có thể tiết kiệm nhiên liệu bằng cách áp dụng chiến thuật tương tự. Nhóm do Giáo sư Ilan Kroo đứng đầu đã hình dung ra các kịch bản trong đó các máy bay phản lực từ các sân bay ở Bờ Tây gặp nhau và bay theo đội hình trên đường đến các điểm đến ở Bờ Đông.
Bằng cách di chuyển theo hình chữ V với những chiếc máy bay thay phiên nhau ở phía trước giống như những con chim, Kroo và các nhà nghiên cứu của ông nghĩ rằng máy bay có thể sử dụng nhiên liệu ít hơn 15% so với bay một mình.
9. Burr và Velcro
Velcro là một ví dụ được biết đến rộng rãi về mô phỏng sinh học. Bạn có thể đã đi giày có dây đai khóa dán khi còn trẻ và chắc chắn bạn có thể mong muốn được đi cùng loại giày đó khi nghỉ hưu.
Velcro được phát minh bởi kỹ sư người Thụy Sĩ George de Mestral vào năm 1941 sau khi ông loại bỏ các gờ khỏi con chó của mình và quyết định xem xét kỹ hơn cách chúng hoạt động.
Những chiếc móc nhỏ được tìm thấy ở phần cuối của những chiếc kim có gờ đã truyền cảm hứng cho anh ấy tạo ra chiếc Velcro phổ biến hiện nay. Hãy nghĩ về điều đó: nếu không có vật liệu này, thế giới sẽ không biết đến môn nhảy Velcro, một môn thể thao trong đó những người mặc bộ đồ Velcro đầy đủ cố gắng ném cơ thể của họ lên tường càng cao càng tốt.
10. Cánh bướm và năng lượng mặt trời
Con bướm “hoa hồng thông thường” sưởi ấm cơ thể bằng cách hấp thụ ánh sáng mặt trời bằng đôi cánh của nó. Bằng cách nghiên cứu đôi cánh của nó dưới kính hiển vi điện tử, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra các lỗ trên cơ thể chúng có tác dụng phân tán ánh sáng mặt trời và giữ ấm cho chúng.
Với cơ chế này, các nhà nghiên cứu đã tạo ra một lớp màng silicon mỏng có hình dạng giống mô hình 3D của cánh bướm và ứng dụng nó vào pin năng lượng mặt trời, cải thiện thiết kế tổng thể. Pin năng lượng mới này thường có thể hấp thụ nhiều ánh sáng mặt trời hơn trong điều kiện ánh sáng yếu. Bằng cách sử dụng công nghệ này trong ngành công nghiệp năng lượng mặt trời, các kỹ sư có thể giúp cộng đồng và các doanh nghiệp địa phương tăng cường sử dụng năng lượng bền vững.
Kết luận
Tôi hy vọng rằng khi các nhà khoa học nhìn sâu hơn vào thế giới tự nhiên để trả lời các câu hỏi của con người, họ bắt đầu thấy ngày càng nhiều rằng ý tưởng sai lầm nghiêm trọng về sự tiến hóa là không thể. Bây giờ đến lượt bạn tạo ra sự đổi mới dựa trên thứ gì đó được tìm thấy trong tự nhiên! Hãy sáng tạo như bạn muốn và với sự cho phép của cha mẹ bạn
Khuyến nghị
- Top 10 nhà sản xuất đồ bơi thân thiện với môi trường
. - 8 món quà thân thiện với môi trường giá cả phải chăng dành cho chàng
. - Làm thế nào những ngôi nhà có thể thân thiện với môi trường bất chấp tính thẩm mỹ hiện đại
. - 5 cách để có một doanh nghiệp thân thiện với môi trường
. - 10 tác động hàng đầu của sông băng tan chảy đối với môi trường